Brian Josephson

В холодном объятии жидкого гелия разворачивается, казалось бы, невозможное явление: электрический ток течет без усилий, не встречая сопротивления. Это сверхпроводимость — квантовое состояние, при котором электроны движутся в идеальном унисоне. Но в тысяча девятьсот шестьдесят втором году молодой британский физик Брайан Джозефсон предсказал нечто еще более экстраординарное. Он предположил, что этот «сверхток» может квантово туннелировать через тонкий изолирующий барьер, разделяющий два сверхпроводника, — подвиг, который классическая физика считала невозможным.

Чтобы понять открытие Джозефсона, мы должны сначала разобраться в сверхпроводимости. Обнаруженное Хейке Камерлинг-Оннесом в тысяча девятьсот одиннадцатом году, это состояние позволяет некоторым материалам, охлажденным почти до абсолютного нуля, проводить электричество с нулевым сопротивлением. Электроны, вместо того чтобы рассеиваться, объединяются в «куперовские пары» — тонкий квантовый танец, позволяющий им беспрепятственно скользить сквозь материал, перенося ток бесконечно. Это макроскопическое квантовое явление заложило основу для будущих прорывов.

До Джозефсона идея движения электронов через изолятор казалась противоречивой. Однако принципы квантовой механики допускают «туннелирование». В этом контринтуитивном эффекте частица может пройти через энергетический барьер, даже если у нее нет достаточной классической энергии, чтобы преодолеть его. Это как если бы мяч мог пройти сквозь стену без отверстия — чисто квантово-механическая вероятность. Это явление уже наблюдалось в полупроводниках Лео Эсаки и в сверхпроводниках Айваром Джайевером.

Опираясь на концепцию квантового туннелирования, Брайан Джозефсон, тогда аспирант Кембриджа, совершил глубокий теоретический прорыв. В то время как предыдущие работы показывали туннелирование отдельных электронов, Джозефсон осмелился задать вопрос: могут ли куперовские пары туннелировать? Что еще более важно, может ли сверхток — поток спаренных электронов — туннелировать через тонкий изолирующий слой между двумя сверхпроводниками без приложения какого-либо напряжения? Это было радикальное отступление, предсказывающее макроскопический квантовый эффект.

Предсказание Джозефсона, ныне известное как эффект Джозефсона по постоянному току, гласило, что сверхток действительно может протекать через такой «переход» даже без приложенного напряжения, вплоть до критического тока. Это означало, что квантово-механическая волновая функция, описывающая куперовские пары, сохраняла свою когерентность, или «фазу», через изолирующий барьер. Это было прямое проявление квантовой механики в макроскопическом масштабе, нечто поистине удивительное.

Помимо сверхтока постоянного тока, Джозефсон также предсказал эффект Джозефсона переменного тока: если к переходу приложить напряжение, сверхток будет колебаться с невероятно точной частотой, пропорциональной этому напряжению. Это новаторское предсказание означало, что напряжение может быть преобразовано в частоту и наоборот с беспрецедентной точностью. Это фундаментальное соотношение стало краеугольным камнем высокоточной метрологии.

Теоретические предсказания Джозефсона были быстро подтверждены экспериментально в тысяча девятьсот шестьдесят втором — тысяча девятьсот шестьдесят третьем годах Филипом Андерсоном и Джоном Роуэллом в Bell Labs. Ясность и глубина его работы, разработанной во время получения докторской степени, принесли ему долю Нобелевской премии по физике в тысяча девятьсот семьдесят третьем году, сделав его одним из самых молодых лауреатов в истории — ему было тридцать три года. Его работа, наряду с работами Эсаки и Джайевера, продемонстрировала силу квантовой механики в объяснении макроскопических явлений.

Одним из самых замечательных применений эффекта Джозефсона является сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик, или СКВИД. Эти невероятно чувствительные магнитометры способны обнаруживать магнитные поля в миллионы раз слабее магнитного поля Земли. СКВИДы используют квантовую интерференцию сверхтоков, туннелирующих через два параллельных перехода Джозефсона, создавая высокочувствительный детектор магнитного поля.

СКВИДи произвели революцию в таких областях, как медицина, картируя невероятно слабые магнитные поля, производимые мозговой активностью (магнитоэнцефалография, МЭГ), и геология, обнаруживая тонкие магнитные аномалии глубоко под землей. Помимо СКВИДов, джозефсоновские переходы являются фундаментальными компонентами в квантовых вычислениях, действуя как сверхпроводящие кубиты. Их точное квантовое поведение, предсказанное Джозефсоном, открывает путь к раскрытию беспрецедентной вычислительной мощности.

Новаторская работа Брайана Джозефсона соединила микроскопический мир квантовой механики с макроскопическими наблюдаемыми явлениями. Его уравнения, выведенные им ещё студентом, не только раскрыли новый квантовый эффект, но и породили поколение сверхчувствительных датчиков, а также заложили фундаментальные элементы для будущих квантовых технологий. Его наследие напоминает нам, что даже самые абстрактные теоретические предсказания могут кардинально изменить наше понимание физики и стать движущей силой инноваций завтрашнего дня.